Neuronavigation - Medizinische Experten

Bei der Neuronavigation handelt es sich um ein computergestütztes, softwaregesteuertes Verfahren der Neurochirurgie, das vor allem bei Operationen am Gehirn oder der Wirbelsäule angewandt wird. Ziel der Neuronavigation ist es, die Operationsabläufe durch eine vorherige Planung sowie eine bessere Orientierung während der Operation zu verbessern und effektiver sowie komplikationsärmer zu gestalten.

Weitere Informationen zur Neuronavigation finden Sie im Text weiter unten.

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Neuronavigation - Weitere Informationen

Ursprünge der Neuronavigation

Computerassistierte Verfahren in der Neurochirurgie, wie die sogenannte Neuronavigation, gehören im weiteren Sinne zu den apparativen Techniken der intraoperativen Diagnostik (d.h. während eines chirurgischen Eingriffs mithilfe eines Apparates stattfindende Diagnostik). Ihre Zahl ist in den letzten Jahren immer weiter angewachsen, so dass sie aus dem neurochirurgischen Alltag nicht mehr wegzudenken sind. Die Erstbeschreibung einer intraoperativen (d.h. während der Operation stattfindenden) Navigation geht auf den amerikanischen Neurochirurgen D. Roberts (Roberts) im Jahre 1986 zurück. Nahezu zeitgleich sind in Europa (Mösges, Reinhardt) und in Japan (Watanabe) ähnliche Systeme entwickelt worden.

Vorteile der Neuronavigation

Das Spektrum der intraoperativen Diagnostik spannt einen größeren Bogen von der Neuronavigation über die intraoperative Bildgebung bis hin zum intraoperativen neurophysiologischen Monitoring. Alle diese Methoden beinhalten eine Verbesserung der Operationsabläufe. Ziel ist es zum einen, den Eingriff durch zusätzliche Informationen des Operateurs für den Patienten effektiver gestalten zu können, z. B. über eine verbesserte Tumorresektion. Zum anderen soll die Operation komplikationsärmer ablaufen, also mit weniger neurologischen Störungen einhergehen. Die Neuronavigation erreicht dies mittels gesteigerter räumlicher Orientierungsmöglichkeiten im Operationsablauf. Das neurophysiologische Monitoring vermittelt mehr funktionelle Daten aus den operierten Hirnarealen.

Definition: Was versteht man unter Neuronavigation?

Unter dem Begriff der Neuronavigation versteht man die computergestützte Übertragung von Bilddaten des Patienten auf den Operationssitus (d.h. Ansicht der zu operierenden Stelle während der Operation) zur interaktiven intraoperativen Orientierung. Als Synonyme für den Begriff Neuronavigation werden, übernommen aus dem angloamerikanischen Sprachraum, die Begriffe der Rahmenlosen Stereotaxie, der interaktiven bildgestützten Navigation und allgemein die Beschreibung der computerassistierten Chirurgie verwandt.

In den letzten Jahren ist die Technik immer weiter entwickelt worden, so dass Verfahren der Neuronavigation nicht nur in der Hirntumor-Chirurgie eingesetzt werden, sondern auch zunehmend in anderen Krankheitsentitäten wie den zerebrovaskulären Missbildungen oder im Bereich der Wirbelsäule ihren Einfluss finden (Raabe, Wirtz).

Technische Grundlagen der Neuronavigation

Die Neuronavigation hat ihre Grundlagen in der Stereotaxie (Verfahren zur räumlich exakten, gezielten Steuerung von Bestrahlungen oder Eingriffen). Im Vergleich zur Stereotaxie fehlt bei der Neuronavigation der sogenannte Rahmen des Stereotaxiegerätes, der stereotaktische Ring und das zugehörige Zielbügelsystem. Aber beide Methoden haben das Prinzip gemeinsam, die zu behandelnden Strukturen auf den CT- oder MRT-Bildern eines Patienten im Operationsfeld exakt zu lokalisieren. Dafür ist es notwendig, beide Koordinatensysteme, die des Patienten und die der Bilddaten miteinander in Zusammenhang zu bringen, also zu korrelieren. Diesen prozessualen Vorgang nennt man Registrierung (siehe unten).

Wie bereits erwähnt, arbeitet die Neuronavigation rahmenlos. Als Bindeglied zwischen den anatomischen Bezugsstrukturen des Patienten und der Bilddaten, d.h. der geschilderten Koordinatensysteme, dient ein dreidimensionales Digitalisier-Instrument (Digitizer). Mit diesem Digitizer werden die einzelnen Punkte innerhalb des Arbeitsraumes, z.B. die Position einer Instrumentenspitze, in den x-, y- und z-Koordinaten definiert Auf diese Weise werden das Operationsfeld und das dreidimensionale Abbild des Patienten digitalisiert. Die Bilddaten des Patienten liegen bei der Neuronavigation intraoperativ als dreidimensionale Datensätze vor. Die einzelnen Punkte, z.B. im Schädelinneren, werden in der x-, y- und z-Achse genau festgelegt. Durch die immer leistungsfähigere Computertechnik können die Daten des Digitizers und die gewaltigen Bilddatenmengen schneller verarbeitet und dargestellt werden.

Komponenten des Navigationssystems bei einer Neuronavigation

Die einzelnen Systembestandteile von Navigationseinheiten beim Verfahren der Neuronavigation ähneln sich weitgehend: Navigationscomputer und Workstation mit den Patientendaten, Monitore zur intraoperativen Abbildung, der fixierte Referenzrahmen am Operationsgebiet und der Digitizer, dessen Lokalisation im Raum geortet wird und der die Korrelation zwischen Bilddaten und dem Patienten leistet. Die räumliche Lage und die Koordinaten des Digitizers werden bei der Neuronavigation ständig über das System evaluiert und an den Computer weitergeleitet, um dessen Lokalisation jederzeit auf den Bilddaten darstellen zu können. Die Positionsbestimmung und die Darstellung der Lage des Digitizers, der intraoperativ auch über den Mikroskop-Fokuspunkt definiert werden kann, sind somit während der gesamten Operation permanent möglich.

Voraussetzung für die Korrelation der Bilddaten mit dem dreidimensionalen, anatomischen Abbild des Patienten ist die vorherige Registrierung oder Korrelation beider Koordinatensysteme. Dabei sind die Möglichkeiten der Bilddarstellung abhängig von der Programmierung des jeweiligen Systems und damit einer erheblichen Variabilität unterworfen. Als Digitizer fungieren bei der Neuronavigation unterschiedliche Systeme. Als eine Art Standard sind zurzeit die optischen Systeme in der Neurochirurgie etabliert. Dabei werden zur Ortung des Lokalisations-Instrumentes bzw. des Operationsmikroskopes Infrarot- oder auch sichtbares Licht, das von Kameras detektiert wird, eingesetzt. Solche Systeme fungieren analog der Satellitennavigation zur Positionsberechnung. Magnetsensorsysteme, welche die Deformierung eines vom System ausgesandten Magnetfeldes zur Positionsbestimmung einsetzen und die zwischenzeitlich fast gar nicht mehr verwandt wurden, erleben zurzeit eine Renaissance.

Klinische Anwendungen und Methoden der Neuronavigation

Die Anwendungsspektren und die klinischen Indikationen für die Neuronavigation sind für sämtliche Systeme gleich. Auch die möglichen Fehlerquellen und die Grenzen der Methode sind unabhängig von den ausgewählten Einzelkomponenten. Die klinische Anwendung bezieht sich zum einen auf die Vorbereitung zur Operation (Bilddatenakquisition, Vorbereitung und Planung), die primäre intraoperative Korrelation (Referenzierung) sowie die eigentliche Anwendung während des Eingriffs (Realisation der Zugangsplanung, intraoperative Orientierung).

Bilddatenakquisition, Vorbereitung und Planung der Neuronavigation

Die Wahl des für die Neuronavigation verwandten Verfahrens hängt letztlich von der Art des darzustellenden Prozesses ab, sieht man von der heute praktisch überall gegebenen Verfügbarkeit von Computer- und Kernspintomographie einmal ab. So wird ein Knochen-assoziierter Prozess eher in der CT-Untersuchung optimal zur Darstellung kommen. Dies gilt insbesondere für die spinale Neuronavigation. Für die meisten Indikationsgebiete in der Tumorchirurgie spielt jedoch die MRT-Untersuchung die größere Rolle, zumal funktionelle Daten wie die Abbildung von Sprachfunktionen hier leichter implementiert werden können (sogenanntes matching; siehe auch Abbildung 3).

Unabhängig von der gewählten Bildgebung wird bei der Neuronavigation ein Volumendatensatz vom betreffenden Operationsgebiet, z.B. dem Schädel, angefertigt, nachdem vorher im Bereich des Operationsgebietes Markierungsmarker - sogenannte Fiducial markers, die der späteren Registrierung dienen - angebracht worden sind. Die Datensätze werden dann über entsprechende Speichermedien oder ein Netzwerk an das Navigationssystem übertragen. Dort erfolgt dann zur Vorbereitung der Neuronavigation die Registrierung über die Fiducials und die Rekonstruktion eines 3-D-Bildes. Weiter können die Zugänge geplant werden und schließlich eine Markierung der Tumorgrenzen im Datensatz erfolgen.

Registrierung des Systems und intraoperative Anwendung der Neuronavigation

Nach Lagerung des Patienten und Fixierung des Kopfes wird der Referenzrahmen in der Regel an der Kopfstütze direkt befestigt, damit dieser bei Tischbewegungen in identischer Beziehung zum Kopf des Patienten verbleibt (Abbildung 1). Anschließend erfolgt die Registrierung des Datensatzes in Korrelation zum Patienten, so dass die Workstation in der Lage ist, das reale Koordinatensystem des Patienten in Bezug zu dem virtuellen Koordinatensystem der Bilddaten zu setzen. Nachdem mittels des Digitizers beide Koordinatensysteme abgeglichen sind, kann die Neuronavigation initiiert werden.

Neuronavigation1

Abbildung 1: Durchführung der präoperativen Referenzierung zur Korrelation der realen Neuroanatomie mit den virtuellen Bilddaten (MRT): Der Kopf des Patienten ist fixiert in der Kopfhalterung. Der Referenzrahmen wird von der Kamera erkannt. Mittels Digitizer erfolgt die prä-/intraoperative Zusammenführung beider Koordinatensysteme.

Grundlage der Registrierung bei der Neuronavigation ist die Korrelation identischer Punkte in beiden Koordinatensystemen. Dies geschieht entweder durch die Verwendung von Fiducial Markers oder durch die Digitalisierung der Hautoberfläche und die Korrelation mit deren Rekonstruktion aus den Bilddaten (Raabe). Die Genauigkeit der Registrierung hängt entscheidend mit der intraoperativen Abweichung zusammen, die dann eine genaue Lokalisation des Zielareals während der Neuronavigation zulässt.

Im Anschluss an die Registrierung kann die Neuronavigation zur besseren intraoperativen Orientierung eingesetzt werden. So kann der Zugang und die Größe bzw. Lage der Schädelöffnung festgelegt werden. Wichtig ist die Zugangsplanung ins Innere des Schädels über die Neuronavigation, um das Operationstrauma gering zu halten (Abbildung 2). In dieser Phase des Eingriffs erfolgt in der Regel die Darstellung der vorhandenen Bilddaten über den Mikroskop-Fokuspunkt, der dann die Funktion des Digitizers übernimmt (Abbildung 3). So können unter mikroskopischer Sicht normale von pathologischen Strukturen differenziert werden. Bei Erreichen der bildgebenden Signale der Tumorränder kann mit der Neuronavigation der Operationsfortgang überprüft werden.

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Abbildung 2: Screenshot einer Stryker-Leibinger Navigation in den drei Raumachsen, sagittal, coronar und axial: Der Hirntumor mit großer nekrotischer Komponente wurde gelb farbmarkiert. Das Fadenkreuz zeigt den kürzesten Zugangsweg zum Zentrum der Läsion. In der 3-D-Darstellung erfolgt die Projektion der Tumorkonturen auf die Hautoberfläche des Schädels.

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Abbildung 3: Intraoperative Navigation mit Operationsmikroskop, Darstellung des Prozesses, eines sarkomatösen Tumors, in den Achsen des 3-D-Raumes: Zusätzlich sind die Bilddaten eines funktionellen MRT unterlegt, so dass funktionell wichtige Areale für die Hand- und Fußregion integriert werden können. Zusätzlich wird noch ein elektrophysiologisches Monitoring, eine Motorkortexstimulation (Plattenelektrode), zur sicheren Definition und Schonung funktionell wichtiger Areale durchgeführt.

Einsatzgebeit der Neuronavigation

Das Einsatzgebiet der Neuronavigation hat sich in den letzten Jahren zunehmend erweitert. Gerade im intrakraniellen Bereich (im Innern des Schädels) und bei Vorliegen von Hirntumoren werden Eingriffe fast ausschließlich mithilfe der Neuronavigation durchgeführt. Besonders wichtig sind für die computerassistierte Neurochirurgie die tief gelegenen, zentralen Hirnstrukturen bzw. Prozesse in eloquenten Hirnarealen. Hier können die Morbidität (Krankheitshäufigkeit) des Eingriffs und die Radikalität bei Tumoroperationen – zusammen mit einer intraoperativen Bildgebung – entscheidend verbessert werden. Auch bei spinalen (das Rückenmark betreffenden) Eingriffen werden Verfahren der Neuronavigation zunehmend eingesetzt, nicht nur zur Zugangsplanung bei tumorösen Prozessen, sondern insbesondere bei der spinalen Instrumentierung zur sicheren Insertion (Einfügen) der Schrauben.

Grenzen und Fehlerquellen der Neuronavigation

Trotz zahlreicher Innovationen können computerisierte, softwaregesteuerte Anwendungen wie die Neuronavigation nicht die Kenntnisse der Neuroanatomie durch den verantwortlichen Operateur ersetzen. Die Verantwortung für die Plausibilität der Navigationsdaten und fehlerhafte Angaben bei der Neuronavigation kann nur der Neurochirurg tragen. Bekannte Fehlerquellen sind ungenügend oder falsch platzierte Fiducials, der fehlerhafte Import der Bilddaten (Seitenkonvention!), fehlende Fixierung des Referenzrahmens und eine inkorrekte Registrierung (z. B. Verschiebung von Markern). Wesentlichste Schwachstelle und letztlich eine grundsätzliche Limitation der Neuronavigation stellt die – reale – intraoperative Veränderung der anatomischen Strukturen durch die Operation dar, die sich auf den zur Neuronavigation verwendeten Bilddaten naturgemäß nicht widerspiegelt. Dieser Fehler, der allgemein als Brain-Shift bezeichnet wird, kann ein erhebliches Ausmaß annehmen und ist nur durch den Einsatz der intraoperativen Bildgebung, wie der MRT oder der Sonographie, zu korrigieren.

Klinische Bedeutung der Neuronavigation

Trotz der breiten Anwendung von Verfahren der Neuronavigation in der Neurochirurgie gibt es keine auf Beweismaterial gestützten Daten für deren unbedingten intraoperativen Einsatz (Jakola), so dass ein Standard für bestimmte Operationen nicht definiert werden kann. Die Arbeitsgruppe um C.R. Wirtz (Wirtz) hat in einer vergleichenden Untersuchung zur Effektivität von Tumorentfernungen ohne und mit Anwendung einer Neuronavigation eine Steigerung der Operationsradikalität zeigen können, ohne ein signifikant besseres Ergebnis nachweisen zu können. Lediglich für tief sitzende Läsionen herrscht weitgehender Konsens darüber, dass die Neuronavigation eingesetzt werden sollte. Forensische Konsequenzen ergeben sich aus einer unterlassenen Anwendung der Neuronavigation bei neurochirurgischen Eingriffen nach wie vor nicht. Auch die Verantwortlichkeit des Operateurs ist unverändert gegeben.

Verwendete Quellen:

  • Jakola AS, Unsgård G, Solheim O: Quality of life in patients with intracranial gliomas: the impact of modern image-guided surgery. Neurosurg, 2011, Feb 11. [Epub ahead of print]
  • Mösges R, Schlöndorff G: A new imaging method for intraoperativen therapy control in skull base surgery. Neurosurg Rev 11, 1988, 245-247.
  • Raabe A, Krishnan R, Wolff R et al.: Laser surface scanning for patient registration in intracranial image-guided surgery. Neurosurgery 50, 2002, 797-801.
  • Reinhardt H, Meyer H, Amrein E: A computer-assisted device for the intraoperative Ct-correlated localization of brain tumours. Eur Surg Res 20, 1988, 51-58.
  • Roberts DW, Strobehn JW, Hatch JF et al.: A frameless stereotactic integration of computerized tomographic imaging and the operating microscope. J Neurosurg 65, 1986, 545-549.
  • Watanabe E, Watanabe T, Manaka S et al.: Three-dimensional digitizer (Neuronavigator): new equipment for computed tomography-guided stereotactic surgery. Surg. Neurol 27, 1987, 543-547.
  • Wirtz CR, Albert FK, Schwaderer M et al.: The benefit of neuronavigation for neurosurgery analyzed by its impacts on glioblastoma surgery. Neurol Res 22, 2000, 354-360.

Autoren: Prof. Dr. med. Hans Herbert Steiner, Dr. med. Michael Schrey